Уравнения окислительно-восстановительных реакций

О. В. Архангельская, И. А. Тюльков., МГУ.
Трудная задача. Начнем по порядку.
Для подбора коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакциях
существуют два метода:
•
электронного баланса
•
электронно-ионного баланса
Первый метод достаточно подробно рассмотрен в школьных учебниках и в методической
литературе, поэтому на этом методе мы не будем останавливать внимания. Для подбора коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций, протекающих в водных
растворах, наиболее приемлемым является метод электронно-ионного баланса или метод полуреакций.
Преимущества этого метода заключаются в следующем:
1. Отсутствие необходимости определения степени окисления отдельных элементов, что
особенно важно в случае органических соединений, в которых определение степени окисления
отдельного элемента является подчас очень сложным.
2. В правой части уравнения можно или вообще не указывать продукты (если ученик
знает особенности поведения окислителя и восстановителя в разных средах, например KMnO4,
K2Cr2O7, MnSO4, CrCl2, или ограничиться указанием во что переходит окислитель и восстановитель. Остальные продукты комбинируются по ходу схемы уравнивания.
3. Вода, кислота или щелочь часто только указывают среду и даются для правильного
определения продуктов реакции и нередко по ходу уравнивания могут или вообще исчезнуть
или перейти слева направо или наоборот.
4. Не возникает трудности в тех случаях, когда исходное вещество является не только
окислителем или восстановителем, но и солеобразователем (например, уравнение реакции взаимодействия азотной кислоты с металлами).
В полуреакциях реагенты и продукты записываются в виде ионов или молекул, как это
делается в молекулярно-ионных уравнениях, описанных в любом учебнике химии.
Ниже рассматривается алгоритм подбора коэффициентов методом полуреакций.
Начнем по порядку.
Задача 1. Закончите следующее уравнение химической реакции:
H2O2 + K2Cr2O7 + H2SO4 →
Укажите условия проведения реакции. В окислительно-восстановительной реакции приведите схемы электронного или электронно-ионного баланса. (Факультет почвоведения МГУ,
1996 г.)
Решение.
На этом примере разберем алгоритм уравнивания окислительно-восстановительных реакций.
1. Записываем две неполные полуреакций содержащие только окислитель и его восстановленную форму в которую он перешел в результате реакции и восстановитель и его окисленную форму. Для этого необходимо
•
правильно определить окислитель и восстановитель,
•
знать, какие продукты образуются в результате окисления и восстановления в различных средах.
В данном случае окислитель – дихромат-ион. В кислой среде он восстанавливается до катиона Cr3+. Восстановителем является пероксид водорода, при его окислении выделяется молекулярный кислород.
Cr2O72– → Cr3+
H2O2 → O2
2. Подводим материальный баланс.
а) уравниваем все элементы, кроме кислорода и водорода:
Cr2O72– → 2Cr3+
H2O2 → O2
б) уравниваем атомы кислорода и водорода. В кислой среде это осуществляется с помощью Н+ и H2O:
Cr2O72– + 14H+ → 2Cr3+ + 7H2O
H2O2 → O2 + 2H+
3. Уравниваем суммарный заряд слева и справа с помощью прибавления или вычитания
электронов в левой части уравнения, т. е. подводим зарядовый баланс:
Cr2O72– + 14H+ +6e = 2Cr3+ + 7H2O
H2O2 –2e = O2 + 2H+
4. К полуреакциям подбираем коэффициенты так, чтобы число отданных и принятых
электронов было бы одинаковым:
Cr2O72– + 14H+ +6e = 2Cr3+ + 7H2O
1
H2O2 –2e = O2 + 2H+
3
5. Складываем полуреакции с учетом подобранных в предыдущем пункте коэффициентов:
Cr2O72– + 14H+ + 3H2O2 = 2Cr3+ + 7H2O + 3O2 + 6H+
6. Сокращаем подобные члены (в данном случае это катионы водорода):
Cr2O72– + 8H+ +3H2O2 = 2Cr3+ + 7H2O + 3O2
7. К каждому иону в левой части уравнения подбираем противоионы в нужном количестве, исходя из того, какие исходные вещества были даны. Точно такие же противоионы и в точно
таком же количестве добавляем в правую часть уравнения
Cr2O72– + 8H+ + 3H2O2 =2Cr3+ + 7H2O + 3O2
2K+
4SO42–
2K+, 4SO42–
8. Соединяем ионы в молекулы. В левой части исходя из данных исходных веществ. В
правой части, прежде всего, соединяем те противоионы, которые образуют малодиссоциирующее или малорастворимые электролиты. Остальные – в произвольном порядке:
K2Cr2O7 + 4H2SO4 + 3H2O2 = Cr2(SO4)3 + 7H2O + 3O2 + K2SO4
Задача 2. Напишите уравнение между следующими веществами:
сульфатом хрома (III) и бромом в щелочной среде.
(Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный краткий курс
для поступающих в вузы. В 2 т. – М.: 1 Федеративная Книготорговая Компания. 1997, № 370
(6))
Решение.
В щелочной среде в полуреакциях уравниваем кислород и водород с помощью OH– и
H2O. Br2 является окислителем, Cr3+ – восстановителем.
В щелочной среде Cr3+ окисляется до хромат-иона CrO42–.
Если возникают затруднения с расстановкой ОН– и Н2О в левую или правую части уравнения или с подбором коэффициентов к этим частицам, можно воспользоваться составлением
системы алгебраических уравнений с двумя неизвестными:
Cr3+ + xOH– = CrO42– + yH2O
По кислороду: x= 4+ y;
По водороду: x = 2y.
⎧x = 4 + y
⎨
⎩x = 2 y
Решая эту систему алгебраических уравнений, получаем: y = 4, x = 8i.
Cr3+ + 8OH– –3e= CrO42– + 4H2O
2
Br2 + 2e = 2Br–
3
2Cr3+ + 16OH– + 3Br2 = 2CrO42– + 8H2O + 6Br–
В молекулярном виде:
Cr2(SO4)3 + 3Br2 + 16KOH = 2K2CrO4 + 6KBr + 3K2SO4 + 8H2O
Задача 3. Напишите уравнение следующей реакции:
KMnO4 + Fe(OH)2 + H2O →
(Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный краткий курс
для поступающих в вузы. В 2 т. – М.: 1 Федеративная Книготорговая Компания. 1997, № 368
(2))
Решение.
Окислитель в данном примере – перманганат-ион. В нейтральной среде он восстанавливается чаще всего до
оксида марганца (IV). Восстановитель – Fe(OH)2; он окисляется до
Fe(OH)3.
Полуреакция восстановления:
MnO4– + 2H2O +3e = MnO2 + 4OH–
В этой полуреакции получаются гидроксид-ионы, которыми мы воспользуемся для подведения материального баланса полуреакции окисления:
Fe(OH)2 + OH– –e = Fe(OH)3
Гидроксиды железа (II) (III) –малорастворимые электролиты, поэтому в полуреакции записываем их в молекулярном виде.
Суммарное молекулярно-ионное уравнение:
MnO4– + 2H2O + 3Fe(OH)2 + 3OH– = MnO2 + 4OH– + 3Fe(OH)3
После сокращения подобных членов:
MnO4– + 2H2O + 3Fe(OH)2 = MnO2 + OH– + 3Fe(OH)3
Молекулярное уравнение:
KMnO4 +3Fe(OH)2 + 2H2O = MnO2 + 3Fe(OH)3 + KOH
Задача 4.
Напишите уравнение взаимодействия между сульфидом меди (I) и концентрированной
азотной кислотой. Предложите вещество, которое может вступать в реакции со всеми продуктами этого взаимодействия (кроме воды) и напишите уравнения реакций. (Химический факультет МГУ, весна, 1997 г.)
Решение.
Нитрат-ион в кислой среде проявляет окислительные свойства. В этом примере NO3–
восстановится до NO2 (свойства азотной кислоты и нитратов):
NO3– + 2H+ + 2e = NO2 + H2O
Сульфид меди (I) будет окисляться в данных условиях до Cu2+ и SO42–:
Cu2S + 4H2O –10e = 2Cu2+ + SO42– + 8H+
Суммарное молекулярно-ионное уравнение:
10NO3– + 20 H+ + Cu2S + 4H2O = 10NO2 + 10H2O + 2Cu2+ + SO42– + 8H+
Приводим подобные слагаемые и получаем молекулярное уравнение:
12HNO3 + Cu2S = 10NO2 + 6H2O + CuSO4 + Cu(NO3)2
Со всеми продуктами этой реакции может реагировать какая-либо щелочь, например,
гидроксид калия. Напишите уравнения реакции взаимодействия гидроксида калия с продуктами
этой реакции самостоятельно.
Задача 5. Обнаружьте и исправьте ошибки в приведенных ниже реакциях:
1) CaI2 + H2SO4(конц.) = CaSO4 + 2HI
2) 2CrCl3 + 3Cl2 + 14KOH = 2K2Cr2O7 + 12KCl + 7H2O
(Начала химии, №389 (1, 3))
Решение.
1)
Концентрированная
серная кислота является сильным окислителем, иодид-ион
проявляет ярко выраженные восстановительные свойства. Поэтому эта реакция является окислительно-восстановительной, продуктами ее будут являться I2 и SO2.
2)
Подобная реакция была разобрана в задаче 3. В щелочной среде бихромат-ион не
существует. В ходе этой реакции образуется хромат-ион CrO42–.
Запишите правильные уравнения реакций самостоятельно.
Подбор коэффициентов в окислительно-восстановительной реакции является прямой задачей. Сложнее решить обратную задачу, т. е. по продуктам реакции восстановить левую часть
уравнения реакции. При анализе подобных задач в первую очередь надо опираться на знания
свойств веществ. Давайте рассмотрим несколько примеров подобных заданий.
Задача 6. Какие вещества вступили в реакцию и при каких условиях, если в результате
образовались следующие вещества (указаны продукты реакции без коэффициентов):
S + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + H2O.
Напишите полное уравнение реакции. (Химический факультет МГУ, 1994 г.)
Решение.
Ион хрома Cr3+ может быть получен при восстановлении дихромат-иона в кислой среде:
Cr2O72– + 14H+ +6e = 2Cr3+ + 7H2O
Восстановителем в данном процессе может выступать вещество, при окислении которого может быть получена сера. Этим условиям соответствуют либо сульфид-ион, либо сероводород. Разберем последний вариант:
H2S –2e = S + 2H+
Итоговое уравнение:
K2Cr2O7 + 4H2SO4 + 3H2S = Cr2(SO4)3 + 3S + K2SO4 + 7H2O.
Напишите уравнение реакции с сульфид-ионом (например, сульфидом калия) самостоятельно.
Задача 7. Какие два вещества вступили в реакцию и при каких условиях, если в резуль-
тате образовались следующие вещества (указаны все продукты реакции без коэффициентов):
CuSO4 + SO2 + H2O
Напишите полное уравнение реакции. (Факультет почвоведения МГУ, 1997 г.)
Решение.
Ионы Cu2+ могут быть получены при окислении меди, соединений меди (I) или меди (II),
например, сульфидов.
Поскольку среди продуктов есть SO2, то окислителем, вероятнее всего, является концентрированная серная кислота.
Разберем вариант взаимодействия меди с концентрированным раствором серной кислоты:
Cu – 2e= Cu2+
SO42– + 4H+ +2e = SO2 + 2H2O
Cu + 4H+ + SO42– = Cu2+ + SO2 + 2H2O
Итоговое уравнение:
Cu + 4H2SO4 = CuSO4 + SO2 + H2O
Условием протекания этого процесса является кипячение.
Задача 8. Какие два вещества вступили в реакцию и при каких условиях, если в резуль-
тате образовались следующие вещества (указаны все продукты реакции без коэффициентов):
CuSO4 + NO2 + H2O
Напишите полные уравнения реакций. (Биологический факультет МГУ, 1993 г.)
Решение.
NO2 получается при восстановлении нитрат-ионов в кислой среде:
NO3– + 2H+ + e = NO2 + H2O
В составе восстановителя должна быть медь и сера. Возможны варианты: Cu2S, CuS,
Cu2SO3 ii
Взаимодействие Cu2S с концентрированным раствором азотной кислоты рассмотрено в
задаче 4. Поскольку в результате этой реакции образуется Cu(NO3)2, сульфид меди (I) не подходит.
Разберем вариант с CuS:
CuS + 4H2O – 8e = Cu2+ + SO42– + 8H+
NO3– + 2H+ + e = NO2 + H2O
8NO3– + CuS + 4H2O + 16H+ = 8NO2 + 8H2O + Cu2+ + SO42– + 8H+
8NO3– + CuS + 8H+ = 8NO2 + 4H2O + Cu2+ + SO42–
CuS + 8HNO3 = 8NO2 + CuSO4 + 4H2O.
Задача 9. Какие два вещества вступили в реакцию и при каких условиях, если в резуль-
тате образовались следующие вещества (указаны все продукты реакции без коэффициентов):
Fe(OH)3
Напишите полное уравнение реакций. (Химический факультет, заочный экзамен, МГУ,
1994 г.)
Решение.
Одно из исходных веществ представляет соединение железа (II). Это не может быть оксид или соль железа (II), т. к. в этом случае продуктов реакции будет несколько. Возможно, это
гидроксид железа (II). Тогда окислителем могут быть O2, O3, H2O2. Если написать уравнения реакций, то среди реагирующих веществ будет вода. Окисление проходит в водной среде, поэтому
можно принять первые два варианта за правильные.
Разберем вариант с H2O2:
H2O2 – 2e = 2OH–
Fe(OH)2 + OH– –e = Fe(OH)3
Суммарное уравнение:
2Fe(OH)2 + H2O2 = 2Fe(OH)3
Задача 10. Восстановите левую часть уравнения:
2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O
(Начала химии, №384 (1)).
Решение.
Ион Mn2+ может получиться при восстановлении перманганат-иона в кислой среде:
MnO4– + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O
I2 может получиться при окислении иодид-ионов:
2I– –2e = I2
2MnO4– + 16H+ + 10I– = 2Mn2+ + 8H2O + 5I2
2KMnO4 + 8H2SO4 + 10KI = 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4.
Задача 11. Какие два вещества вступили в реакцию и при каких условиях, если в резуль-
тате образовались следующие вещества (указаны все продукты реакции без коэффициентов):
C6H5–COOK + K2CO3 + MnO2 + KOH + H2O
Напишите полное уравнение реакции.
(Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный краткий курс
для поступающих в вузы. В 2 т. – М.: 1 Федеративная Книготорговая Компания. 1997, №968 (4))
Решение.
MnO2 получается при восстановлении перманганат-иона в нейтральной среде.
Так как образовались анион бензойной кислоты и карбонат-ион, логично предположить,
что окислению подвергся один из гомологов ряда аренов: R–C6H5. α-атом углерода в цепи при
бензольном кольце окисляется до карбоксильной группы. Остаток углеводородной цепи окисляется до соответствующей кислоты (или ее аниона в щелочной среде).
Толуол окисляется до бензойной кислоты (или бензоат-иона в щелочной среде).
Этилбензол – до бензойной кислоты и углекислого газа (муравьиная кислота подвергается дальнейшему окислению)(или бензоат-иона и карбонат-иона в щелочной среде).
н-Пропилбензол – до бензойной кислоты и уксусной кислоты (или бензоат-иона и ацетатиона).
Т. о. при окислении гомологов бензола с неразветвленной углеродной цепью, начиная с
н-пропилбензола, продуктом окисления, кроме бензойной кислоты, будет карбоновая кислота.
Следовательно, чтобы образовались продукты, указанные в условии задачи, необходимо
подвергать окислению в щелочной среде арен, у которого при α-атоме углерода имеется одна
или несколько метильных групп.
Разберем вариант окисления этилбензола перманганатом калия в нейтральной среде.
Запишем полуреакции:
MnO4– + 2H2O +3e = MnO2 + 4OH–
C6H5–CH2–CH3 + xOH– = C6H5COO– + CO32– + yH2O
Для подведения материального баланса в этой полуреакции воспользуемся составлением системы алгебраических уравнений:
по кислороду: x = 2 + 3 +y
по водороду: 5 + 2 + 3 + x= 5 + 2y
Решая эту систему, находим x = 15, y = 10.
Итак:
MnO4– + 2H2O +3e = MnO2 + 4OH–
C6H5–CH2–CH3 + 15OH– –12e = C6H5COO– + CO32– + 10H2O
C6H5–CH2–CH3 + 15OH– + 4MnO4– + 8H2O = C6H5COO– + CO32– + 10H2O + 4MnO2 + 16OH–
C6H5–CH2–CH3 + 4MnO4– = C6H5COO– + CO32– + 2H2O + 4MnO2 + OH–
C6H5–CH2–CH3 + 4KMnO4 = C6H5COOK + K2CO3 + 2H2O + MnO2 + KOH
При окислении изопропилбензола получается бензоат-ион и карбонат-ион в соотношении 1:2. Напишите уравнения реакций этих веществ перманганатом калия в нейтральной среде
самостоятельно.
В заключении предлагаем читателям самостоятельно решить следующие задачи:
Задача 12. Какие два вещества вступили в реакцию и при каких условиях, если в резуль-
тате образовались следующие вещества (указаны все продукты реакции без коэффициентов):
KNO3 + I2 + NO + H2O
Напишите полное уравнение реакции. (Биологический факультет МГУ, 1993 г.)
Задача 13. Какие два вещества вступили в реакцию и при каких условиях, если в резуль-
тате образовались следующие вещества (указаны все продукты реакции без коэффициентов):
KOOC–C6H4–COOK + MnO2 + KOH + H2O
Напишите полное уравнение реакции.
(Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный краткий курс
для поступающих в вузы. В 2 т. – М.: 1 Федеративная Книготорговая Компания. 1997, №968 (5))
Чтобы не вводить читателей в заблуждение, следует сказать, что в экзаменационных билетах в подобных заданиях рассматривается не одна, а несколько химических реакций.
i
Не надо пугаться, если значения x и y получатся отрицательными. Если в уравнении какое-либо слагаемое перенести из одной части в другую, изменив его знак, то получится уравнение, равносильное данному. Исходя из этого,
мы получим уравнение химической реакции с положительными коэффициентами.
ii
О веществе Cu2SO3 см. Леенсон И. А., Занимательная химия. 8–11 кл.:в 2 ч. Ч.1.–М.:Дрофа, 1996, с. 126.